发布时间 : 星期日 文章高功率固体激光器及其关键技术研究更新完毕开始阅读f86ee9577275a417866fb84ae45c3b3567ecdd83
1.2 板条激光器
板条激光器是激光工作物质为板条形状的固体激光器。普通固体激光器激光工作物质的几何形状为圆棒状，温度梯度的方向与光传播方向垂直，在热负荷条件下运转时，将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应，严重影响了激光器的输出功率和光束质量3。在板条激光器中，温度梯度发生在板条厚度方向
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上，板条宽度方向上的两侧面被热绝缘，而光在厚度方向的抽运面上发生内全反射，呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播，光传播方向近似与温度梯度方向平行，利用激光介质的的对称性和锯齿形光路消除热效应，从而减小激光束的热透镜效应和光学畸变效应，一次得以输出更高的输出功率和更好的光束质量的激光。目前单根板条激光器连续输出功率已超过千瓦，脉冲输出能量超过百焦耳。其发展方向是用大功率半导体列阵激光器侧向面泵浦，以获得更高的效率和更好的光束质量。板条激光晶体由于具有三组对称面，因此有面抽运、边抽运和端面抽运三种抽运方式。面抽运由于抽运面积较大，因而相应抽运功率密度较低，增益介质内增益分布较均匀，热梯度较小，不足之处是冷却面与抽运面重合，冷却介质容易污染抽运面，降低抽运效率。边抽运具有抽运效率高，抽运面与冷却面相分离，有利于保持系统长期工作稳定性等优点，但是却有着较为严重的热光效应，而且抽运面较小，难以注入高功率抽运光。端面抽运板条与端面抽运圆棒类似，将抽运光从晶体的端面入射，由于板条激光器的端面面积通常更小而且为矩形，这对其耦合是一项具有挑战性的工作。此外，还可将板条切割成其他形状，采用更灵巧的方式来抽运。板条激光器的厚度或宽度与抽运吸收长度相匹配，一般通过锯齿字形光路以补偿厚度方向上的热畸变。宽度方向尺寸根据激光输出功要求设计，并采用边缘绝热技术控制该方向的热流，减小温度梯度，从而实现高光束质量激光输出。但板条侧效应、端效应会影响光束质量并且要求的调节精度较高
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。尽管如此，这
种激光器在高功率抽运下，由于板条固体激光器工作介质宽、厚度比较大，仍然存在一定的热透镜效应，在板条宽度的光束质量较差。
在有限宽度和长度的板条中，边缘效应和端面效应都会产生畸变；高功率抽运下，板条仍然存在热透镜效应和退偏；在薄板条中，放大自发辐射效应也严重影响着激光效率和光束质量；非轴对称的板条不可避免会产生像散，使光束在两个垂直
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方有不同的光斑大小、光腰位置和波面曲率。为此，在板条构型、谐振腔设计、冷却结构、激光材料介质上做了许多的创新。
值得注意的是，虽然板条具有较好的热特性，但如果不解决抽运的均匀性，仍然不可能获得良好的效果。还需特别注意的是，即使抽运均匀，若介质中增益分布不均匀，高功率固体激光器工作时仍然会造成波前畸变。因此，在抽运耦合及分布的均匀性、增益介质的动态光学均匀性、传导冷却和微通道热沉的理论分析与数值模、热管理、有源腔模场等还还需要进一步的研究。
图1-2 19KW高功率板条激光器
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图1-3 端面抽运的板条激光器
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1.3 薄片激光器
薄片激光器由多个模块组成，其中每个模块由两个平行放置的增益介质薄片构成，以一定距离间隔放置，在每个模块内部都有冷却结构，抽运光束由模块的两侧以平行或成一定角度入射到薄片介质的表面。在左边介质薄片的右侧面和邮编薄片的左侧面分别附着两个金刚石热沉，在两个金刚石热沉之间构成一个冷却液体通道，以便于对热沉进行冷却
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。 薄片激光器的结构特点是激光介
质具有大的口径和厚度比，采用面抽运、面冷却，通过精密光学系统设计使光纤耦合输出的抽运光在晶体薄片中多次通过，增加对其吸收。这种结构的热梯度分布方向与激光束传播方向相同，避免了热透镜效应引起的不利影响，而且，薄的晶体明显降低了Yb：YAG的重吸收损耗，从而提高了转换效率。因此，薄片激光十分适合高亮度、高平均功率发展的需要。其不足之处在于：光学设计非常复杂，元器件多，不利于系统的稳定性；高功率抽运时要求在很小的面积内将千瓦级的热带走，其散热系统设计十分困难。薄片激光器通过设计可实现端面多通抽运、侧面抽运以及混合抽运。端面抽运的结构，将薄片增益介质采用某种方式焊接在微通道冷却的热沉上，这个过程应设法避免薄片介质在焊接过程中引入的应力。薄片增益介质的后端面作为腔镜镀抽运光和激光的高反膜，前端面镀二者的增透膜，输出镜一般采用球面镜。抽运光以一定的角度入射在增益介质上，两处通过增益介质后，出射的剩余抽运光再次被反射回增益介质，如此反复，抽运光多次通过薄片介质最后达到很高的吸收值，整个过程要求抽运尽量均匀化
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薄片激光器的原理就是将增益介质加工成很薄的薄片状，其中一个表面制备对泵浦光和激光的高反膜，然后将该面焊接到水冷系统上，该平面还充当激光器的一个腔镜。在纵向平顶泵浦光作用下，该结构可以产生垂直于晶体表面均匀的热流，因而梯度方向与输出光束方向一致，可以有效克服热透镜效应
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。该结构的设计重
点就是要保证在一定吸收率的前提下，有效减少晶体两端温差。
目前，千瓦级薄片激光器已经形成产品，与商用棒状激光器相比，其光束质量至少要好3倍，而且薄片激光器的光束质量还在不断提升，结合热容量工作模式，可能发展成为新一代高功率固体激光器。
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图1-4 面抽运的薄片激光器结构示意图
图1-5 边缘抽运的薄片激光器结构图
1.4 光纤激光器
光纤激光器是近年来激光领域关注的热点之一，也是目前实现高平均功率、高光束质量激光的重要手段之一。光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来，在泵浦光的作用下光
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